岩石物理参数与地层孔隙压力的关系研究及应用

贺洋洋

(中国石化胜利油田分公司 物探研究院,山东 东营 257022)



岩石物理参数与地层孔隙压力的关系研究及应用

贺洋洋

(中国石化胜利油田分公司 物探研究院,山东 东营 257022)

[摘要]从岩石物理参数与地层孔隙压力的关系出发,对地层孔隙压力进行分析与研究,确定岩石物理参数与地层孔隙压力变化的定性关系,并通过推导将岩石物理参数用于地层孔隙压力的定量估算,与传统方法相比,岩石物理参数法得到的结果具有较好的稳定性,且精度较高。

[关键词]层速度;地层孔隙压力;岩石物理

异常地层孔隙压力环境是含油气盆地的普遍地质现象,它影响地下流体的存在和运动的形式,对油气的生成、运移、聚集和成藏产生直接的作用。异常地层压力不仅是石油地质学的一个重要研究课题,也是长期困扰钻井工程界的重大技术难题,给钻井施工安全和录井中油气层的识别与评价、油层保护带来了很大的困难。在油气勘探开发过程中,地层孔隙压力的研究预测不仅具有理论意义,更是实际的需要。目前,地层孔隙压力分析预测主要基于测井资料、钻井资料、地震信息。测井、钻井分别是钻后检测或者随钻监测,地震则是钻前预测。异常地层压力的形成机理和影响因素复杂,国内外的研究一直在持续深入,目前还没有一种理想的方法或者模型能够准确地对其进行预测和检测。以往预测或者检测主要依据是层速度(纵波)[1-5],随着技术的进步,使用测井数据或者地震信息估算岩石物理参数,通过岩石物理参数的角度,对地层孔隙压力特别是超压的特征进行研究并应用。

1基本原理

从结构来看,岩石是由固体的岩石骨架和流动的孔隙流体组成的二相体。岩石的弹性参数取决于固体骨架(矿物)的弹性性质、岩石中孔隙的大小(孔隙度)、孔隙几何形状以及孔隙中流体的性质等。通常描述线弹性体的弹性参数主要有体积模量、杨氏模量、泊松比和弹性纵、横波的波速等。经典压力预测理论主要以层速度来进行孔隙压力的预测,认为存在低速异常的可能存在超压,并以此进行压力值的估算。此速度主要是指纵波速度,而研究表明横波速度[6-7]也能反映孔隙流体压力的变化。在实际应用中,除了纵波也会考虑到用密度曲线表示正常趋势下的密度的变化来反映欠压实环境是否存在以及表征压力异常的程度。这样,已知纵横波速度、密度的情况,就可以估算出岩石弹性参数包括体积模量、压缩系数、泊松比、纵横波速度比等[8-11]。岩石物理参数可由实验室数据获取,也可通过测井数据估算得来,能反映孔隙压力的变化,孔隙压力的变化反过来也影响岩石物理参数,通过分析岩石物理参数的变化规律可定性甚至定量的进行地层孔隙压力的估算。

2岩石物理实验数据分析

通过对相关标本数据进行统计,分析了纵横波速度、纵横波速度比、泊松比和体积模量等与压力的变化关系。

影响地震波在多孔岩石的传播的因素很多,包括岩性、孔隙度、流体类型和饱和度、孔隙压力等。其中的每种参数都控制着有效弹性模量,而弹性模量和密度又决定了地震速度和阻抗。然而,速度、孔隙度和孔隙压力并不总是简单的关系。孔隙压力的影响有时可能被其他各种参数的影响掩盖。此外,这些参数之间常常并非独立的。通常,在地壳岩石中纵横波速度随围压的增大而增大,因为围压使松软的似裂纹孔隙更紧实,并增加了颗粒间的接触的强度。孔隙压力的影响就是通过支撑抵消围压来保持孔隙开启,高的孔隙压力将降低速度,纵横波速度比和泊松比等参数由纵横波速度计算得到,与孔隙压力的变化对应的定性关系。

据N. I. Christensen等[12]的实验室数据研究结果,岩石样品不同围压测试表明:围压pc增大,纵横波速度明显增大,泊松比明显减小,体积模量增大;当压差pd(pd=pc-pp)不变时,随着围压和孔隙压力的增大,纵波速度增大,而横波速度减小,泊松比增大体积模量近似线性增大。

图1为实验样品在不同围压下孔隙压力变化引起的纵横波速度的变化的关系。其中，vp为不同孔隙压力下纵波速度,vs为不同孔隙压力下的横波速度。从图中可以看到,在不同围压下,随着孔隙压力开始增大,纵横波速度都发生了明显的减小,与常规的低速对应高压的传统认识是一致的。

图1　实验样品在不同围压下纵横波速度随孔隙压力的变化

图2是围压不变的情况下,孔隙压力的变化与纵横波速度比的对应关系。在围压不变的情况下,随着孔隙压力增大纵横波速度比出现明显增大。

图3反映的是围压不变的情况下,孔隙压力的变化与泊松比的对应关系。在围压不变情况下,随着孔隙压力的增大泊松比也出现明显的增大。

图2　围压不变情况下孔隙压力的变化与纵横波速度比的对应关系

图3　围压不变情况下孔隙压力的变化与泊松比的对应关系

通过岩石物理实验数据分析可以看到,孔隙压力的变化对纵横波速度、纵横波速度比、泊松比等岩石物理参数有明显的影响,可以通过这种变化来定性判断可能存在的孔隙压力异常的区域。

3测井数据分析

岩石物理参数除了可以由岩样测定得到,还可通过测井或者由测井数据估算得到的。测井得到纵横波速度、密度,可由三参数估算地层的泊松比,纵横波速度比、体积模量和压缩系数。

分别对l69、y176、y178和y173井的纵横波速度及估算的体积模量、泊松比、纵横波速度比和压缩系数,和实测点的压力系数值,进行了对比分析。根据高压层和围岩的位置,对高压层和围岩的纵横波速度、泊松比、纵横波速度比、体积模量和压缩系数的均值分别进行了统计和对比,统计结果见表1。

对表1的高压层相对围岩的岩石物理参数的变化进行了统计,我们发现,高压层与围岩,纵横波速度、纵横波速度比、泊松比、体积模量和压缩系数都体现出显著变化,但是在变化幅度看,纵波速度和横波速度都减小,幅度在10%～20%,横波速度的减小略大,泊松比的变化则不规律,纵横波速度比增大,幅度在20%左右,体积模量减小,幅度在20%～40%;压缩系数增大,幅度在20%～70%,压缩系数反映压力变化最敏感。

表1　各井高压层与围岩的岩石物理参数对比分析

4结束语

通过岩石物理参数与孔隙压力的关系,可以推导出利用岩石物理参数包括纵横波速度、密度等参数综合进行孔隙压力估算的方法。利用实际井实测压力点的压力系数验证,岩石物理参数预测法与相关软件伊顿法计算压力系数结果的比较,采用岩石物理参数法效果较好,预测结果相对稳定,精度也有一定的提高。利用地震叠前三参数反演,可以得目标区的岩石物理参数,可据此进行三维压力场的估算。通过对岩石物理参数与孔隙压力关系的研究,确定了孔隙压力与岩石物理参数变化的关系,可定性判断可能存在的高压区发育区带,对地层的岩石物理参数进行估算,推导岩石物理参数与孔隙压力的定量的估算方法,可以进行孔隙压力大小的估算,结合叠前三参数反演,可由岩石物理参数得到三维压力场,对于油气成藏和钻井设计都具有较好的参考意义。

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[责任编辑]孔雪

[收稿日期]2016-01-14

[基金项目]国家科技重大专项(2011ZX05006-002)

[作者简介]贺洋洋(1981—),男,湖北荆门人,中国石化胜利油田分公司物探研究院工程师,主要从事综合地质解释研究。

doi:10.3969/j.issn.1673-5935.2016.01.003

[中图分类号]P631

[文献标识码]A

[文章编号]1673-5935(2016)01- 0008- 03